JPH11262279A - Method for driving oscillating wave actuator - Google Patents
Method for driving oscillating wave actuatorInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ステータに発生し
た振動波によってロータを駆動する多自由度の振動波ア
クチュエータの駆動方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of driving a multi-degree-of-freedom vibration wave actuator for driving a rotor by vibration waves generated in a stator.
【０００２】[0002]
【従来の技術】（振動波アクチュエータの構成）従来の
振動波アクチュエータの基本的な構造を図１に示す。振
動波アクチュエータ１にあっては、４個のステータ２，
２，３，３を略球面状をしたロータ４の最大外周円に沿
って配置し、これらのステータ２，２，３，３によって
合成樹脂製のロータ４を支持している。各ステータ２，
２，３，３は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、金属等
の弾性材料によって形成された皿状のステータ本体５の
裏面にＰＺＴ等の圧電素子７を接合したものである。ス
テータ本体５の外周部には、円環状をした弾性部材１０
が設けられており、弾性部材１０の表面には多数の接触
子６が一定ピッチ毎に突設され、各接触子６間はスリッ
ト９によって分離されている。圧電素子７は弾性部材１
０の裏面に接合されている。ステータ２，２，３，３
は、接触子６をロータ４と接触させるようにしてロータ
４を支持しており、そのため接触子６の表面（接触駆動
面８）にはロータ４の半径と同一の曲率半径を有する凹
状のアールが施されている。2. Description of the Related Art (Structure of Vibration Wave Actuator) FIG. 1 shows a basic structure of a conventional vibration wave actuator. In the vibration wave actuator 1, four stators 2,
The rotors 2, 3, 3 are arranged along the maximum outer circumference of the substantially spherical rotor 4, and the stators 2, 2, 3, 3 support the synthetic resin rotor 4. Each stator 2,
As shown in FIGS. 2A and 2B, the piezoelectric elements 7 such as PZT are joined to a back surface of a dish-shaped stator body 5 formed of an elastic material such as a metal. . An annular elastic member 10 is provided on the outer peripheral portion of the stator body 5.
Are provided on the surface of the elastic member 10, and a large number of contacts 6 are protruded at a constant pitch, and each contact 6 is separated by a slit 9. The piezoelectric element 7 is an elastic member 1
0 is bonded to the back surface. Stator 2, 2, 3, 3
Supports the rotor 4 in such a manner that the contact 6 is brought into contact with the rotor 4, so that the surface of the contact 6 (contact drive surface 8) has a concave radius having the same radius of curvature as the radius of the rotor 4. Is given.
【０００３】このような構造のステータ２，２，３，３
は超音波モータの原理によってロータ４に回転駆動力を
及ぼすものであって、圧電素子７を振動させることによ
って弾性部材１０の接触子６の接触駆動面８にたわみ振
動や伸縮振動等の表面波振動を発生させる。各ステータ
２，２，３，３は、ばね（図示せず）の弾性力によって
ロータ４に圧接しているので、ステータ２，２，３，３
が駆動されていない場合には、ロータ４は回転できな
い。しかし、圧電素子７を所定の駆動モードで駆動する
と、接触駆動面８で円周方向に進む進行波（たわみ進行
波）により接触子６の表面の分子が楕円軌道を描いて運
動し、ロータ４の表面がステータ２，２，３，３の円周
方向に沿って移動する。この結果、ロータ４は駆動され
ているステータ２，２，又は３，３の軸心の回りに回転
駆動される。The stators 2, 2, 3, 3 having such a structure
Is for applying a rotational driving force to the rotor 4 by the principle of an ultrasonic motor, and vibrating the piezoelectric element 7 causes the contact drive surface 8 of the contact 6 of the elastic member 10 to generate surface waves such as flexural vibration and expansion / contraction vibration. Generates vibration. Each of the stators 2, 2, 3, and 3 is pressed against the rotor 4 by the elastic force of a spring (not shown).
Is not driven, the rotor 4 cannot rotate. However, when the piezoelectric element 7 is driven in a predetermined drive mode, molecules on the surface of the contact 6 move in an elliptical orbit by a traveling wave (flexing traveling wave) traveling in the circumferential direction on the contact drive surface 8, and the rotor 4 Moves along the circumferential direction of the stators 2, 2, 3, and 3. As a result, the rotor 4 is driven to rotate around the axis of the driven stator 2, 2 or 3.
【０００４】（従来の駆動方法）このような振動波アク
チュエータ１では、ステータ２，２の駆動軸Ｘとステー
タ３，３の駆動軸Ｙを含む平面内に含まれる任意の回転
軸の回りにロータを回転させることができる。例えば、
図３においてベクトルωの回りに角速度ωでロータ４を
回転させようとする場合には、角速度のベクトルωをス
テータ２，２の駆動軸Ｘの方向とステータ３，３の駆動
軸Ｙの方向とに分解して各成分ベクトルをωｘ＝ω・co
sθ、ωｙ＝ω・sinθを求める。そして、駆動軸Ｘの回
りに角速度ωｘでロータ４を回転させるためにステータ
２，２からロータ４にそれぞれＴｘの駆動トルクを及ぼ
し、同時に、駆動軸Ｙの回りに角速度ωｙでロータ４を
回転させるためにステータ３，３からロータ４にそれぞ
れＴｙの駆動トルクを及ぼすと、各ステータ２，２，
３，３からロータに駆動トルクが働き、ロータ４は合成
された駆動トルクの方向の回りに角速度ωで回転する。(Conventional Driving Method) In such a vibration wave actuator 1, the rotor rotates around an arbitrary rotation axis included in a plane including the driving axis X of the stators 2 and 2 and the driving axis Y of the stators 3 and 3. Can be rotated. For example,
In FIG. 3, when the rotor 4 is to be rotated at an angular velocity ω about the vector ω, the angular velocity vector ω is set to the direction of the drive axis X of the stators 2 and 2 and the direction of the drive axis Y of the stators 3 and 3. Ωx = ω · co
sθ, ωy = ω · sinθ are obtained. Then, in order to rotate the rotor 4 at an angular velocity ωx about the drive axis X, a driving torque of Tx is applied from the stators 2 and 2 to the rotor 4, and at the same time, the rotor 4 is rotated at an angular velocity ωy about the drive axis Y. Therefore, when a driving torque of Ty is applied from the stators 3 and 3 to the rotor 4, respectively,
A driving torque acts on the rotor from 3, 3 and the rotor 4 rotates at an angular velocity ω around the direction of the combined driving torque.
【０００５】一方、図４に示すように、ステータ２，２
の駆動軸Ｘの回りに角速度ωｘでロータ４を回転させよ
うとすれば、角速度ωｘのベクトルはステータ３，３の
駆動軸Ｙの方向に成分を持たないから、ステータ２，２
だけを駆動して進行波を発生させてロータ４を回転させ
ればよい。しかし、ステータ３，３を駆動しないと、ス
テータ３，３とロータ４との摩擦抵抗によってロータ４
が回転しないので、従来においては、このような場合に
は、ステータ３，３には定在波を励起させ、ロータ４と
の摩擦抵抗を軽減させていた。すなわち、ステータ３，
３に定在波を励起させることにより、見かけ上ロータ４
がステータ３，３の表面で浮いている状態にしていた。On the other hand, as shown in FIG.
If the rotor 4 is to be rotated at an angular velocity ωx around the drive axis X, the vector of the angular velocity ωx has no component in the direction of the drive axis Y of the stators 3, 3.
Only to drive the rotor 4 to generate a traveling wave and rotate the rotor 4. However, if the stators 3 and 3 are not driven, the rotor 4
Conventionally, in such a case, standing waves are excited in the stators 3 and 3 to reduce frictional resistance with the rotor 4. That is, the stator 3,
By exciting the standing wave to 3, apparently the rotor 4 is excited.
Are floating on the surfaces of the stators 3 and 3.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】図４のように、ステー
タ２，２によりロータ４を駆動軸Ｘの回りに回転駆動さ
せる場合においては、上記のようにステータ３，３に定
在波を発生させることによってステータ３，３とロータ
４との摩擦抵抗を低減させることができるが、それでも
定在波の励起されているステータ３，３とロータ４との
間にはかなりの摩擦トルクが存在しており、ロータ４を
駆動軸Ｘの回りに回転させるために各ステータ２，２か
らロータ４に及ぼす駆動トルクをＴｘとすれば、駆動軸
Ｘの回りにロータ４を駆動したときの出力トルクは、理
想的な出力トルク２Ｔｘからかなりの低下が見られた。When the rotor 4 is driven to rotate around the drive axis X by the stators 2 and 2 as shown in FIG. 4, standing waves are generated in the stators 3 and 3 as described above. By doing so, the frictional resistance between the stators 3, 3 and the rotor 4 can be reduced, but a considerable frictional torque still exists between the stators 3, 3 and the rotor 4 where standing waves are excited. If the drive torque applied from each of the stators 2 and 2 to the rotor 4 to rotate the rotor 4 around the drive axis X is Tx, the output torque when the rotor 4 is driven around the drive axis X is , A considerable decrease from the ideal output torque 2Tx was observed.
【０００７】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、従来、定在
波を発生させることによって移動子との摩擦抵抗を低減
されていた非駆動のステータと移動子との摩擦抵抗をよ
り低減し、出力トルクの増大を図ることができる振動波
アクチュエータの駆動方法を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned drawbacks of the conventional example. It is an object of the present invention to reduce the frictional resistance with a moving element by generating a standing wave. An object of the present invention is to provide a method of driving a vibration wave actuator that can further reduce frictional resistance between a non-driven stator and a moving element and increase output torque.
【０００８】[0008]
【発明の開示】請求項１に記載の振動波アクチュエータ
の駆動方法は、複数のステータにより複数の駆動軸の回
りに移動子を回転させるようにした振動波アクチュエー
タにおいて、移動子を回転させようとする方向の回転ベ
クトルが、その駆動軸の方向に分力を持たないステータ
が存在する場合には、当該ステータによる移動子の平均
の回転量が零となるように当該ステータから移動子に正
負の駆動トルクを交互に印加するようにしたことを特徴
としている。SUMMARY OF THE INVENTION According to a first aspect of the present invention, there is provided a method of driving a vibration wave actuator in which a movable element is rotated by a plurality of stators around a plurality of drive shafts. If there is a stator whose rotation vector has no component force in the direction of the drive shaft, a positive / negative signal is applied from the stator to the movable element so that the average amount of rotation of the movable element by the stator becomes zero. It is characterized in that drive torque is alternately applied.
【０００９】請求項２に記載の振動波アクチュエータの
駆動方法は、複数のステータにより複数の駆動方向に移
動子を移動させるようにした振動波アクチュエータにお
いて、移動子を移動させようとする方向の移動ベクトル
が、その駆動方向に分力を持たないステータが存在する
場合には、当該ステータによる移動子の平均の移動量が
零となるように当該ステータから移動子に正負の駆動力
を交互に印加するようにしたことを特徴としている。According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of driving a vibration wave actuator, wherein the moving element is moved in a plurality of driving directions by a plurality of stators. When there is a stator whose vector has no component force in the driving direction, positive and negative driving forces are alternately applied to the moving element from the stator so that the average moving distance of the moving element by the stator becomes zero. It is characterized by doing so.
【００１０】請求項１に記載した振動波アクチュエータ
の駆動方法は、移動子が回転するタイプであり、請求項
２に記載した振動波アクチュエータの駆動方法は、移動
子が線状又は面状に移動するタイプである。発明の駆動
方法によれば、移動子の回転又は移動ベクトルが、ある
ステータの駆動方向に成分を持たない場合でも、そのス
テータに、ある大きさを持った駆動トルクを励起させ、
しかもその駆動トルクの方向を交互に反転させているの
で、移動子は、このステータによる駆動方向には平均す
れば移動しない。しかし、実際には移動子は、このステ
ータによって駆動されているので、従来、抵抗摩擦成分
となっていたステータが、駆動摩擦成分になり、振動波
アクチュエータの出力トルクが増大する。The driving method of the vibration wave actuator according to the first aspect is of a type in which the movable element rotates, and the driving method of the vibration wave actuator according to the second aspect moves the movable element in a linear or planar manner. Type. According to the driving method of the present invention, even when the rotation or movement vector of the mover has no component in the driving direction of a certain stator, the stator is excited with a driving torque having a certain magnitude,
Moreover, since the direction of the driving torque is alternately reversed, the moving element does not move if it is averaged in the driving direction by the stator. However, since the movable element is actually driven by this stator, the stator, which has conventionally been a resistance friction component, becomes a driving friction component, and the output torque of the vibration wave actuator increases.
【００１１】請求項３に記載の実施態様は、請求項１又
は２に記載の振動波アクチュエータの駆動方法におい
て、上記ステータから移動子に及ぼす駆動トルクを正弦
波状に変化させることを特徴としている。According to a third aspect of the present invention, in the driving method of the vibration wave actuator according to the first or second aspect, the driving torque applied to the moving element from the stator is changed in a sinusoidal manner.
【００１２】請求項４に記載の実施態様は、請求項１又
は２に記載の振動波アクチュエータの駆動方法におい
て、上記ステータから移動子に及ぼす駆動トルクを多段
ステップ状に変化させることを特徴としている。According to a fourth aspect of the present invention, in the driving method of the vibration wave actuator according to the first or second aspect, the driving torque applied from the stator to the moving element is changed in a multi-step manner. .
【００１３】請求項３又は４に記載のように駆動トルク
を正弦波状に変化させたり、多段ステップ状に変化させ
たりすれば、移動子への出力の方向が三角波状になりに
くく、スムーズな出力が得られる。If the driving torque is changed in a sine wave shape or in a multi-step shape as described in the third or fourth aspect, the direction of the output to the moving element is less likely to be in a triangular wave shape, and the output is smooth. Is obtained.
【００１４】[0014]
【発明の実施の形態】（第１の実施形態）以下、本発明
を実施形態により説明する。振動波アクチュエータは、
球面状のロータの最大外周円に沿って４個のステータを
配置したものであって、図１及び図２に示したものと同
じ構造を有しているので、構造の説明は省略し、図１及
び図２に用いた符号を引用して、本発明による振動波ア
クチュエータの駆動方法について説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (First Embodiment) The present invention will be described below with reference to an embodiment. The vibration wave actuator is
Since four stators are arranged along the maximum outer circumferential circle of the spherical rotor and have the same structure as that shown in FIGS. 1 and 2, the description of the structure is omitted, and FIG. The driving method of the vibration wave actuator according to the present invention will be described with reference to the reference numerals used in FIGS.
【００１５】まず、ロータ４をステータ２，２の各駆動
軸Ｘ及びステータ３，３の駆動軸Ｙと異なる方向を向い
た回転軸の回りに回転させる場合には、従来例の場合と
同様、両ステータ２，２，３，３を同時に駆動すればよ
い（図３参照）。First, when the rotor 4 is rotated around a rotation axis oriented in a direction different from each of the drive axes X of the stators 2 and 2 and the drive axes Y of the stators 3 and 3, as in the conventional example, What is necessary is just to drive both stators 2, 2, 3, and 3 simultaneously (refer FIG. 3).
【００１６】つぎに、ステータ２，２の駆動軸Ｘの回り
にロータ４を回転させる場合を説明する。この場合に
は、ステータ２，２には、図５（ａ）（ｂ）に示すよう
に、一定の駆動トルクを連続的に発生させる。ただし、
図５（ａ）〜（ｄ）では、各ステータ２，２，３，３に
発生する左回りの駆動トルクは正の値で示し、右回りに
発生する駆動トルクは負の値で示している。従って、一
方のステータ２に正の駆動トルクをＴを発生させ、他方
のステータ２に負の駆動トルク−Ｔを発生させると、両
ステータ２，２からロータ４には同じ向きの駆動トルク
が伝えられ、ロータは２Ｔの駆動トルクを受けることに
なる。また、他方のステータ３，３には、図５（ｃ）
（ｄ）に示すように、ステータ３，３の圧電素子７に印
加する２相の電気信号の位相差を短い時間間隔Δｔで交
互に反転させ、駆動軸Ｙの回りにおけるロータ４の回転
角が平均すると零になるようにステータ３，３によるロ
ータ４の回転方向を短い間隔Δｔで反転させる。Next, the case where the rotor 4 is rotated about the drive axis X of the stators 2 and 2 will be described. In this case, a constant drive torque is continuously generated in the stators 2 and 2 as shown in FIGS. However,
5A to 5D, the counterclockwise driving torque generated in each of the stators 2, 2, 3, and 3 is indicated by a positive value, and the clockwise driving torque is indicated by a negative value. . Accordingly, when a positive drive torque T is generated in one of the stators 2 and a negative drive torque −T is generated in the other stator 2, a drive torque in the same direction is transmitted from both the stators 2 and 2 to the rotor 4. As a result, the rotor receives a driving torque of 2T. FIG. 5C shows the other stators 3 and 3.
As shown in (d), the phase difference between the two-phase electric signals applied to the piezoelectric elements 7 of the stators 3 and 3 is alternately inverted at short time intervals Δt, and the rotation angle of the rotor 4 around the drive axis Y is reduced. The rotation direction of the rotor 4 by the stators 3 and 3 is reversed at short intervals Δt so that the average becomes zero.
【００１７】この結果ロータ４は、図６に示すように、
ジグザグに回転するが、平均すると駆動軸Ｘの回りに回
転することになる。特に、回転方向の切替周期Δｔを短
くすることにより駆動軸Ｙの回りでの回転角（回転振
幅）をごく小さくすると、駆動軸Ｘの回りに滑らかに回
転して見える。しかも、このようにしてロータ４を駆動
軸Ｘの回りに回転させるようにすれば、駆動軸Ｘ回りの
回転には寄与しないステータ３，３にも進行波を発生さ
せることができるので、ステータ３，３に定在波を発生
させる方法と比較すると、摩擦抵抗成分となっていたス
テータ３，３からの押し付け力を摩擦駆動成分とするこ
とができ、振動波アクチュエータ１の出力トルクを増大
させることができる。As a result, as shown in FIG.
It rotates in a zigzag manner, but on average rotates around the drive axis X. In particular, when the rotation angle (rotation amplitude) around the drive axis Y is made very small by shortening the rotation direction switching period Δt, the rotation appears to rotate smoothly around the drive axis X. In addition, if the rotor 4 is rotated around the drive axis X in this manner, traveling waves can be generated in the stators 3 and 3 which do not contribute to the rotation about the drive axis X. , 3, the pressing force from the stators 3, 3, which was a frictional resistance component, can be used as a friction drive component, and the output torque of the vibration wave actuator 1 can be increased. Can be.
【００１８】同様に、ロータ４を駆動軸Ｙの回りに回転
させる場合も、ステータ３，３によってロータ４を駆動
軸Ｙの回りに回転させると同時に、ステータ２，２に進
行波を励起してロータ４を駆動軸Ｘの回りに交互に反転
させるように駆動すればよい。Similarly, when the rotor 4 is rotated about the drive axis Y, the rotor 4 is rotated about the drive axis Y by the stators 3 and at the same time, the traveling waves are excited in the stators 2 and 2. What is necessary is just to drive so that the rotor 4 may be alternately reversed around the drive axis X.
【００１９】なお、ロータを回転駆動するステータ（以
下、駆動側のステータという）では、圧電素子に印加す
る２相の信号電圧の時間的位相差は０〜９０度の範囲で
決定できる。また、ロータを交互に反転させるステータ
（以下、非駆動側のステータという）でも、２相の信号
電圧の時間的位相差は０〜９０度の範囲で選択できる。
ただし、駆動側のステータの時間的位相差と非駆動側の
ステータの時間的位相差とを同程度にすると、ロータの
表面の移動する軌跡が三角波形状になりやすいから、駆
動側のステータの時間的位相差は９０度とし、非駆動側
のステータの時間的位相差は９０度よりも小さいことが
望ましい。また、駆動軸Ｘの回りに回転させる場合も、
駆動軸Ｙの回りに回転させる場合も、ステータ２，２に
よる駆動トルクＴｘとステータ３，３による駆動トルク
Ｔｙとは等しくしてもよいが、ロータ４の回転方向を反
転させる周期Δｔは０.５秒以下が好ましい。それより
周期Δｔが長くなると、ロータ４の軌跡のジグザグが目
立ち易くなる。In the case of a stator that rotationally drives the rotor (hereinafter referred to as a “drive-side stator”), the temporal phase difference between the two-phase signal voltages applied to the piezoelectric elements can be determined within a range of 0 to 90 degrees. Further, even in a stator in which the rotor is alternately inverted (hereinafter, referred to as a non-drive-side stator), the temporal phase difference between the two-phase signal voltages can be selected in a range of 0 to 90 degrees.
However, if the temporal phase difference of the stator on the driving side and the temporal phase difference of the stator on the non-driving side are substantially the same, the trajectory on the surface of the rotor tends to have a triangular wave shape. Preferably, the temporal phase difference is 90 degrees, and the temporal phase difference of the non-drive side stator is smaller than 90 degrees. Also, when rotating around the drive axis X,
When rotating around the drive axis Y, the drive torque Tx by the stators 2 and 2 and the drive torque Ty by the stators 3 and 3 may be equal, but the period Δt for reversing the rotation direction of the rotor 4 is 0.1. It is preferably 5 seconds or less. If the period Δt is longer than that, the zigzag of the trajectory of the rotor 4 becomes more conspicuous.
【００２０】（理論的説明）上記のようにして振動波ア
クチュエータ１を駆動することにより、従来よりも摩擦
抵抗を低減して出力トルクを大きくできることを計算に
より示す。なお、各ステータの接触駆動面８とロータと
の接触面は、面積を持たない円形線で、各ステータの駆
動軸（中心軸）は同一平面上にあると仮定して、振動波
アクチュエータ１の出力トルクを計算する。(Theoretical Description) It is shown by calculation that driving the vibration wave actuator 1 as described above can reduce the frictional resistance and increase the output torque as compared with the related art. The contact drive surface 8 of each stator and the contact surface of the rotor are circular lines having no area, and the drive shaft (center axis) of each stator is assumed to be on the same plane. Calculate the output torque.
【００２１】（従来例の駆動方法の場合）はじめに、ス
テータ２，２を駆動側とし、ステータ３，３を非駆動側
として定在波を発生させ、従来の駆動方法によってロー
タ４を駆動軸Ｘの回りに回転させる場合について考え
る。従来の駆動方法の様子を図７（ａ）（ｂ）に示す。(In the case of the conventional driving method) First, standing waves are generated by setting the stators 2 and 2 to the driving side and the stators 3 and 3 to the non-driving side, and the rotor 4 is driven by the conventional driving method to the driving shaft X. Consider the case of rotating around. FIGS. 7A and 7B show the state of the conventional driving method.
【００２２】駆動側のステータ２，２による駆動トルク
を求める。駆動側のステータ２，２の接触駆動面８に発
生する駆動力Ｆtは、つぎの（１）式で表される。 Ｆt＝μtＰt …（１） ただし、μtは、駆動側のステータの接触駆動面８とロ
ータの間の動摩擦係数であり、Ｐtは、接触駆動面８と
ロータの間の単位長さ当たりの押し付け圧（垂直抗力）
である。よって、各ステータ２，２の接触駆動面８に発
生する駆動トルクをＴtとすれば、これはステータ２，
２の接触駆動面８の半径（以下、ステータ半径という）
と駆動力Ｆtの積を接触駆動面８の一周について積分し
たものであるから、次の（２）式が得られる。The driving torque by the driving stators 2 and 2 is determined. Driving force F t generated on the contact driving surface 8 of the driving side of the stator 2, 2 is expressed by the following equation (1). F t = μ t P t (1) where μ t is a coefficient of kinetic friction between the contact drive surface 8 of the drive side stator and the rotor, and P t is a unit between the contact drive surface 8 and the rotor. Pressing force per length (normal force)
It is. Therefore, if the drive torque generated on the contact drive surface 8 of each of the stators 2 and 2 is Tt ,
Radius of the contact drive surface 8 (hereinafter referred to as stator radius)
The product of the driving force F t because is the integral for one round of the contact driving surface 8 and the following equation (2) is obtained.
【００２３】[0023]
【数１】 (Equation 1)
【００２４】駆動側のステータ２，２は２枚あるから、
駆動側のステータ２，２からロータに加わる全駆動トル
クＴtwは、つぎの（３）式となる。 Ｔtw＝４πｒμtＰt …（３）Since there are two stators 2 and 2 on the driving side,
The total drive torque Ttw applied to the rotor from the drive-side stators 2, 2 is given by the following equation (3). T tw = 4πrμ t P t (3)
【００２５】つぎに、非駆動側のステータ３，３による
摩擦トルク（負荷トルク）を求める。この場合も、各ス
テータ３，３の接触駆動面８に発生する摩擦力Ｆfは、
次の（４）式で表される。 Ｆf＝μfＰf …（４） ただし、μfは、ステータ３，３の接触駆動面８とロー
タ４の間の動摩擦係数であり、Ｐfは、ステータ３，３
とロータ４の間の単位長さ当たりの押し付け圧（垂直抗
力）である。ここで、摩擦トルクの計算式を導くため、
非駆動側のステータ３，３のトルク腕長さＬを求める。Next, the friction torque (load torque) of the non-drive side stators 3, 3 is determined. Also in this case, the frictional force F f generated on the contact drive surface 8 of each of the stators 3, 3 is:
It is expressed by the following equation (4). F f = μ f P f (4) where μ f is the dynamic friction coefficient between the contact drive surface 8 of the stators 3 and 3 and the rotor 4, and P f is the stator 3 and 3
Pressure per unit length (vertical force) between the rotor and the rotor 4. Here, to derive the formula for calculating the friction torque,
The torque arm length L of the non-drive side stators 3, 3 is obtained.
【００２６】トルク腕長さＬの概念図を図８に示す。ト
ルク腕長さＬとは、駆動側のステータ２，２の駆動軸Ｘ
と非駆動側のステータ３，３の接触駆動面８の各部分領
域までの距離である。よって、ステータ半径をｒ、ロー
タ半径をＲ、ステータ３，３の接触駆動面８の部分領域
の駆動軸Ｙ回りの角度をθとすると、図８から求められ
るように、トルク腕長さＬは、次の（５）式で表され
る。FIG. 8 shows a conceptual diagram of the torque arm length L. The torque arm length L is defined as the drive shaft X of the stator 2 on the drive side.
And the distance to each partial area of the contact drive surface 8 of the non-drive side stators 3. Therefore, assuming that the radius of the stator is r, the radius of the rotor is R, and the angle of the partial area of the contact drive surface 8 of the stators 3 and 3 around the drive axis Y is θ, the torque arm length L is calculated from FIG. , Expressed by the following equation (5).
【００２７】[0027]
【数２】 (Equation 2)
【００２８】上記（５）式において、√（Ｒ2−ｒ2）
は、腕長さ最短時の長さを示しており、駆動軸Ｘ及びＹ
を含む平面上における腕長さである。In the above equation (5), √ (R 2 −r 2 )
Indicates the shortest arm length, and the drive axes X and Y
Is the arm length on a plane including.
【００２９】ステータ３，３による摩擦トルクＴfは、
摩擦力Ｆfと腕長さＬの積をステータ３，３の接触駆動
面８の一周について積分したものである。すなわち、上
記（４）式及び（５）式を用いると、つぎの（６）式が
得られる。The friction torque Tf of the stators 3, 3 is:
The product of the frictional force F f and arm length L is obtained by integrating the round contact driving surface 8 of the stator 3, 3. That is, using the above equations (4) and (5), the following equation (6) is obtained.
【００３０】[0030]
【数３】 (Equation 3)
【００３１】非駆動側のステータ３，３も２枚あるか
ら、非駆動側のステータ３，３からロータに加わる全摩
擦トルクＴfwは、つぎの（７）式となる。Since there are two stators 3 on the non-drive side, the total friction torque T fw applied to the rotor from the stators 3 on the non-drive side is given by the following equation (7).
【００３２】[0032]
【数４】 (Equation 4)
【００３３】この（７）式は、（３）式を用いれば、次
の（８）式のように表すことができる。The equation (7) can be expressed as the following equation (8) by using the equation (3).
【００３４】[0034]
【数５】 (Equation 5)
【００３５】従来例の振動波アクチュエータ１において
は、実際に取り出すことができる出力トルクＴは、（駆
動トルク）−（摩擦トルク）であり、 Ｔ＝Ｔtw−Ｔfw …（９） で表すことができる。よって、上記（８）式によれば、
出力トルクＴは、次の（１０）式となる。In the conventional vibration wave actuator 1, the output torque T which can be actually taken out is (drive torque)-(friction torque), and is expressed by T = T tw -T fw (9) Can be. Therefore, according to the above equation (8),
The output torque T is given by the following equation (10).
【００３６】[0036]
【数６】 (Equation 6)
【００３７】ここで、ロータの半径Ｒとステータ半径ｒ
の比が、 Ｒ／ｒ＝１.５ ［例えば、ロータの半径Ｒが１５ｍｍ、ステータ半径ｒ
が１０ｍｍ］であるとすると、上記（１０）式より、振
動波アクチュエータ１の駆動軸Ｘ方向への出力トルクは
次の（１１）式のようになる。Here, the radius R of the rotor and the radius r of the stator are
R / r = 1.5 [For example, the radius R of the rotor is 15 mm, and the radius r of the stator is
Is 10 mm], the output torque of the vibration wave actuator 1 in the drive axis X direction is expressed by the following expression (11) from the expression (10).
【００３８】[0038]
【数７】 (Equation 7)
【００３９】さらに、Ｔtw＝２Ｔtを用いると、次の
（１２）式が得られる。If T tw = 2T t is used, the following equation (12) is obtained.
【００４０】[0040]
【数８】 (Equation 8)
【００４１】（本発明による駆動方法の場合）次に、本
発明の駆動方法の場合を考える。本発明の駆動方法で
は、非駆動側のステータ３，３は交互に駆動方向を反転
させているが、ステータ３，３の駆動方向の反転と反転
の中間の期間Δｔの間では、図９に示すように、ロータ
は駆動軸Ｘと駆動軸Ｙの中間の斜め４５度方向に駆動さ
れているとする。Next, the case of the driving method of the present invention will be considered. In the driving method of the present invention, the non-driving-side stators 3 and 3 alternately reverse the driving direction. However, during the period Δt between the reversal of the driving direction of the stators 3 and 3, the state shown in FIG. As shown, it is assumed that the rotor is driven in an oblique 45-degree direction between the drive axis X and the drive axis Y.
【００４２】斜め方向に駆動する場合には、すべてのス
テータ２，２，３，３が実際には駆動されており、従来
の駆動方法の場合のように負荷として働くステータは存
在しない。そのため、この場合には、駆動側ステータ
２，２による駆動トルクと非駆動側ステータ３，３によ
る駆動トルクのみを考慮すればよい。斜め方向に駆動す
るときには、各ステータ２，２，３，３の発生する駆動
トルクのペクトルと実際に駆動（回転）する方向とは４
５度の角度を持っている。そのため、各ステータ２，
２，３，３の発生する駆動トルクＴtのベクトルを４５
度方向へ分解した成分がロータの出力トルクとして働く
と考えられる。よって、この場合の出力トルクＴは、４
つのステータ２，２，３，３による駆動トルクＴtの４
５度方向成分の和となり、次の（１３）式で表される。 Ｔ＝４×Ｔt・cos４５゜ ＝２（√２）Ｔt …（１３）When driving in an oblique direction, all the stators 2, 2, 3, and 3 are actually driven, and there is no stator that acts as a load as in the case of the conventional driving method. Therefore, in this case, only the driving torque by the driving stators 2 and 2 and the driving torque by the non-driving stators 3 and 3 need to be considered. When driving in an oblique direction, the vector of the driving torque generated by each of the stators 2, 2, 3, and 3 and the actual driving (rotating) direction are 4
Has an angle of 5 degrees. Therefore, each stator 2,
The vector of the generated driving torque T t of 2,3,3 45
It is considered that the component decomposed in the degree direction acts as the output torque of the rotor. Therefore, the output torque T in this case is 4
4 of drive torque T t due One of stator 2,2,3,3
It becomes the sum of the 5-degree direction components, and is expressed by the following equation (13). T = 4 × T t · cos45 ゜ = 2 (√2) T t (13)
【００４３】（従来例と本発明との比較）しかして、従
来の駆動方法では、出力トルクＴは、Ｒ／ｒ＝１.５と
すると、前記（１２）式のように、 Ｔ＝２｛１−１.３１６（μfＰf／μtＰt）｝Ｔt …（１２） となる。さらに、（μfＰf）／（μtＰt）≒０.２３と
すると、（１２）式の出力トルクは、Ｔ≒１.４Ｔtとな
るが、本発明の駆動方法では、Ｔ≒２．８Ｔｔとなり、
出力トルクがほぼ倍となる。(Comparison between the conventional example and the present invention) In the conventional driving method, when the output torque T is R / r = 1.5, as shown in the above equation (12), T = 2 ｛ 1-1.316 become (μ f P f / μ t P t)} T t ... (12). Further, when the (μ f P f) / ( μ t P t) ≒ 0.23, (12) the output torque of the formula is a T ≒ 1.4 T t, the driving method of the present invention, T ≒ 2.8Tt,
The output torque is almost doubled.
【００４４】（第２の実施形態）図１０は、本発明の別
な実施形態における非駆動側のステータの駆動方法を示
している。この実施形態では、非駆動側のステータの駆
動トルクを正弦波状に変化させている。このようにロー
タを駆動することによって出力の方向が三角波状になり
にくく、スムーズな出力が得られる。(Second Embodiment) FIG. 10 shows a method of driving a non-drive side stator according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, the drive torque of the non-drive side stator is changed in a sine wave shape. By driving the rotor in this manner, the direction of the output is unlikely to be triangular, and a smooth output can be obtained.
【００４５】（第３の実施形態）図１１は、本発明のさ
らに別な実施形態における非駆動側のステータの駆動方
法を示している。この実施形態では、非駆動側のステー
タの駆動トルクを多段のステップ状に変化させている。
このようにロータを駆動することによって出力の方向が
三角波状になりにくく、スムーズな出力が得られる。(Third Embodiment) FIG. 11 shows a method of driving a non-drive side stator according to still another embodiment of the present invention. In this embodiment, the drive torque of the non-drive side stator is changed in a multi-step manner.
By driving the rotor in this manner, the direction of the output is unlikely to be triangular, and a smooth output can be obtained.
【００４６】（第４の実施形態）ステータの数が３個又
は５個以上の場合も、同様に制御することが可能であ
る。例えば、図１２は３個のステータ２２Ａ，２２Ｂ，
２２Ｃをロータ４の最大外周円に沿って配置し、３個の
ステータ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃでロータ４を保持及び
駆動するようにした振動波アクチュエータ２１を示して
いる。このような振動波アクチュエータ２１にあって
も、ステータ２２Ａの駆動軸Ｑと垂直な方向の駆動トル
クＴをロータ４に及ぼしてその回りにロータ４を回転さ
せる場合には、駆動側の２つのステータ２２Ｂ，２２Ｃ
からロータ４に駆動トルクＴB，ＴCを働かせ、その合力
としてロータ４に駆動トルク４を発生させる。同時に、
非駆動側のステータ２２Ａには回転角度が平均すれば零
となるようにして、正方向及び負方向に交互に回転トル
クΔＴを及ぼして回転振動させるようにする。この結
果、このステータ２２Ａからもロータ４に駆動トルクΔ
Ｔを及ぼすことができ、摩擦トルクが働かなくなるの
で、振動波アクチュエータ２１の出力トルクを大きくで
きる。なお、２３はケースである。(Fourth Embodiment) When the number of stators is three or five or more, the same control can be performed. For example, FIG. 12 shows three stators 22A, 22B,
A vibration wave actuator 21 is shown in which 22C is arranged along the maximum outer circumference of the rotor 4, and the rotor 4 is held and driven by three stators 22A, 22B, 22C. Even in such an oscillatory wave actuator 21, when the drive torque T in the direction perpendicular to the drive axis Q of the stator 22A is applied to the rotor 4 to rotate the rotor 4 therearound, the two stators on the drive side are required. 22B, 22C
Then, the drive torques T B and T C are applied to the rotor 4 to generate the drive torque 4 as the resultant force. at the same time,
The rotation angle of the non-drive side stator 22A is set to zero on average, so that the rotation torque ΔT is applied alternately in the positive direction and the negative direction to cause rotational vibration. As a result, the driving torque Δ is also applied to the rotor 4 from the stator 22A.
T can be exerted and the friction torque does not work, so that the output torque of the vibration wave actuator 21 can be increased. 23 is a case.
【００４７】（第５の実施形態）図１４は本発明のさら
に別な実施形態による振動波アクチュエータ３１の構造
を示す平面図である。この実施形態では、Ｘ軸方向の進
行波を発生させてＸ軸方向にスライダー３４を移動させ
るステータの接触子３２と、Ｙ軸方向の進行波を発生さ
せてＹ軸方向にスライダー３４を移動させるステータの
接触子３３とを碁盤目状に交互に配列させ、その上にス
ライダー３４を重ねた構造を有している。このような２
次元リニア駆動型の振動波アクチュエータ３１において
も、例えばＸ軸方向に移動させる場合には、駆動側の接
触子３２にはＸ軸方向の進行波を発生させ、非駆動側の
接触子３３には正負交互の進行波を発生させてスライダ
ー３４を細かくジグザグにＸ軸方向へ走行させれば、出
力を大きくすることができる。(Fifth Embodiment) FIG. 14 is a plan view showing the structure of a vibration wave actuator 31 according to still another embodiment of the present invention. In this embodiment, the contact 32 of the stator generates a traveling wave in the X-axis direction to move the slider 34 in the X-axis direction, and generates a traveling wave in the Y-axis direction to move the slider 34 in the Y-axis direction. It has a structure in which the contacts 33 of the stator are alternately arranged in a grid pattern, and a slider 34 is superposed thereon. Such 2
For example, when the vibration wave actuator 31 of the two-dimensional linear drive type is moved in the X-axis direction, a traveling wave in the X-axis direction is generated on the drive-side contact 32, and the non-drive-side contact 33 is generated on the non-drive-side contact 33. The output can be increased by generating a traveling wave of alternating positive and negative and causing the slider 34 to travel finely and zigzag in the X-axis direction.
【図１】振動波アクチュエータの構造を示す一部破断し
た正面図である。FIG. 1 is a partially broken front view showing the structure of a vibration wave actuator.
【図２】（ａ）（ｂ）は同上のステータの正面図及び断
面図である。FIGS. 2 (a) and 2 (b) are a front view and a sectional view of the same stator.
【図３】振動波アクチュエータの駆動方法を説明する図
である。FIG. 3 is a diagram illustrating a method of driving a vibration wave actuator.
【図４】振動波アクチュエータの従来の駆動方法を説明
する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a conventional driving method of a vibration wave actuator.
【図５】（ａ）（ｂ）は駆動側のステータの駆動状態を
示す波形図、（ｃ）（ｄ）は非駆動側のステータの駆動
状態を示す波形図である。5A and 5B are waveform diagrams showing a driving state of a driving-side stator, and FIGS. 5C and 5D are waveform diagrams showing a driving state of a non-driving-side stator.
【図６】同上の駆動方法により駆動されたロータの回転
する様子を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a state of rotation of a rotor driven by the above driving method.
【図７】従来の駆動方法による出力トルクの計算に用い
た図である。FIG. 7 is a diagram used for calculating an output torque by a conventional driving method.
【図８】トルク腕長さの計算に用いた図である。FIG. 8 is a diagram used for calculating a torque arm length.
【図９】本発明の駆動方法による出力トルクの計算に用
いた図である。FIG. 9 is a diagram used for calculating an output torque by the driving method of the present invention.
【図１０】本発明による振動波アクチュエータの別な駆
動方法を説明する図である。FIG. 10 is a diagram illustrating another driving method of the vibration wave actuator according to the present invention.
【図１１】本発明による振動波アクチュエータのさらに
別な駆動方法を説明する図である。FIG. 11 is a view illustrating still another driving method of the vibration wave actuator according to the present invention.
【図１２】振動波アクチュエータの別な実施形態を示す
斜視図である。FIG. 12 is a perspective view showing another embodiment of the vibration wave actuator.
【図１３】同上の振動波アクチュエータの駆動方法を説
明する図である。FIG. 13 is a diagram for explaining a method of driving the vibration wave actuator of the above.
【図１４】振動波アクチュエータのさらに別な実施形態
を示す平面図である。FIG. 14 is a plan view showing still another embodiment of the vibration wave actuator.
２，３，２２Ａ〜２２Ｃ ステータ ４ ロータ ３２，３３ 接触子 ３４ スライダー 2,3,22A-22C Stator 4 Rotor 32,33 Contact 34 Slider
Claims (4)
りに移動子を回転させるようにした振動波アクチュエー
タにおいて、 移動子を回転させようとする方向の回転ベクトルが、そ
の駆動軸の方向に分力を持たないステータが存在する場
合には、当該ステータによる移動子の平均の回転量が零
となるように当該ステータから移動子に正負の駆動トル
クを交互に印加するようにしたことを特徴とする振動波
アクチュエータの駆動方法。1. A vibration wave actuator wherein a plurality of stators rotate a mover around a plurality of drive shafts, wherein a rotation vector in a direction in which the mover is rotated is divided in a direction of the drive shaft. When there is a stator having no force, positive and negative drive torques are alternately applied from the stator to the mover so that the average rotation amount of the mover by the stator becomes zero. Method of driving a vibrating wave actuator.
移動子を移動させるようにした振動波アクチュエータに
おいて、 移動子を移動させようとする方向の移動ベクトルが、そ
の駆動方向に分力を持たないステータが存在する場合に
は、当該ステータによる移動子の平均の移動量が零とな
るように当該ステータから移動子に正負の駆動力を交互
に印加するようにしたことを特徴とする振動波アクチュ
エータの駆動方法。2. A vibration wave actuator in which a moving element is moved in a plurality of driving directions by a plurality of stators, wherein a moving vector in a direction in which the moving element is moved has no component in the driving direction. A vibration wave actuator characterized in that when a stator is present, positive and negative driving forces are alternately applied to the mover from the stator such that the average movement amount of the mover by the stator becomes zero. Drive method.
ルクを正弦波状に変化させることを特徴とする、請求項
１又は２に記載の振動波アクチュエータの駆動方法。3. The method of driving a vibration wave actuator according to claim 1, wherein the driving torque applied from the stator to the moving element is changed in a sinusoidal manner.
ルクを多段ステップ状に変化させることを特徴とする、
請求項１又は２に記載の振動波アクチュエータの駆動方
法。4. The method according to claim 1, wherein the driving torque applied from the stator to the moving element is changed in a multi-step manner.
A method for driving a vibration wave actuator according to claim 1.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07311398A JP3662736B2 (en) | 1998-03-06 | 1998-03-06 | Driving method of vibration wave actuator |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11262279A true JPH11262279A (en) | 1999-09-24 |
| JP3662736B2 JP3662736B2 (en) | 2005-06-22 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007221845A (en) * | 2006-02-14 | 2007-08-30 | Double Giken Kk | Spherical ultrasonic motor |
| WO2010104130A1 (en) * | 2009-03-10 | 2010-09-16 | 国立大学法人東京農工大学 | Spherical ultrasound motor and control method for a spherical ultrasound motor |
-
1998
- 1998-03-06 JP JP07311398A patent/JP3662736B2/en not_active Expired - Fee Related
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| US8841868B2 (en) | 2009-03-10 | 2014-09-23 | National University Corporation Tokyo University Of Agriculture And Technology | Spherical ultrasound motor and control method for a spherical ultrasound motor |
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